专利名称：填芯管桩水泥土复合基桩及施工方法
技术领域：
本发明涉及一种在软土地区使用的高承载力基桩，即一种大直径水泥土桩中插入填芯高强预应力管桩复合而成的基桩。
背景技术：
目前公开及使用的外层为水泥土、内芯为管桩的复合桩根据成桩尺寸可分为两 种，一种是中等直径桩型，一种是大直径桩型。中等直径桩型为外层水泥土桩由深层搅拌法或高压旋喷法形成，中心插入中小直 径管桩而形成。中等直径桩型由于受成桩方法及桩工设备限制，桩径集中在500 700mm 之间，桩长相对较短，所提供承载力仍相对较低，且一般作为复合地基中增强体使用。中国专利申请200710113491.0公开了一种复合桩，包括桩芯和包裹在桩芯外的 外层桩，外层桩为水泥土桩，其特征是所述的桩芯为截面为圆环形的预应力混凝土管桩。 所述水泥土桩的直径为800-1500mm，长度为20_30m，所述桩芯由多节长度为7_15m，直径 为300mm，400mm或500mm预应力混凝土管桩接成，预应力混凝土管桩的强度等级为C60或 C80o这种新型复合桩集中水泥土桩和钢筋混凝土桩二者的优点，由预应力混凝土管桩作为 桩芯承担竖向荷载，用较大截面的水泥土桩来传递桩侧摩阻力，可最大程度地发挥出预应 力混凝土管桩的极限承载力，其受力机理明确，单桩承载力高，质量可靠；插入管桩时，对水 泥土桩有挤密效应，可提高桩土间的结合力。与其他的基桩相比在摩擦桩条件下，可大大节 省钢筋用量，降低工程造价。新型复合桩能实现低噪音、无振动施工，对环境无影响。单桩 竖向承载力特征值940kN-2700kN。中国专利申请200710113495. 9公开了一种大载荷复合桩，与上述复合桩的主要 区别是外层桩为素混凝土桩，单桩竖向承载力特征值1000kN-3000kN，由高强度预应力混凝 土管桩和素混凝土桩共同承担竖向载荷，大截面的低标号素混凝土桩增大了桩侧摩阻力， 能最大程度地发挥出高强度预应力混凝土管桩的极限承载力；插入管桩时，对素混凝土桩 有一种挤密效应，可提高素混凝土的密度，有扩径和增强桩土结合力的作用。在地质和桩 长、桩径等相同条件下，与其他基桩相比，其单桩竖向承载力大，可大大减少钢筋用量，造价 低。能实现低噪音、无振动施工，对环境影响小，应用范围广。单桩竖向极限承载力标准值指单桩在竖向荷载作用下达到破坏状态前或出现不 适于继续承载的变形时多对应的最大荷载，取决于土对桩的支承阻力和桩身承载力，即土 对桩的支承阻力和桩身承载力应同时充分发挥。但目前公开的大直径复合桩存在如此缺 陷(1)未提供芯桩与外层桩的几何尺寸及强度的经济匹配关系，导致芯桩材料强度和桩 周土对外层水泥土提供的桩侧摩阻力不能同时充分发挥，进而增加了单位承载力造价；(2) 单桩承载力由作为芯桩的预应力混凝土管桩桩身结构承载力所决定，单桩承载力提高有限 制，往往会导致芯桩承载力达到了极限而外层水泥土桩侧摩阻力还未完全发挥出来，即芯 桩与外层水泥土桩未达到经济匹配关系，存在外层水泥土桩侧摩阻力浪费现象；即使芯桩 材料强度和桩周土对外层水泥土提供的桩侧摩阻力同时达到极限，由于单桩承载力由芯桩桩身结构承载力所决定，也限制了外层水泥土桩直径最大为1500mm; (3)未解决与承台的 连接问题，无法直接作为基桩使用，而作为复合地基增强体使用时，容易出现外层水泥土先 破坏进而导致管桩压爆破坏现象；(4)施工方法简单，未提供达到设计要求的详细技术参 数及保证措施，难以指导具体实施
发明内容
本发明要解决的技术问题是(1)提出作为芯桩使用的预应力混凝土管桩与包裹 在芯桩周围的外层水泥土桩两者间的几何尺寸(包括外径与桩长)及强度的经济匹配关 系，降低单位承载力造价；(2)解决单桩承载力受芯桩桩身材料强度限制的问题，大幅提高 单桩承载力、增大外层水泥土桩经济直径；(3)提出复合桩作为基桩使用时与承台的连接 方法，避免复合桩作为增强体使用时的破坏问题；(4)提出外层水泥土成桩及与高强预应 力管桩结合过程中技术参数及保证措施，提高施工效率；(5)在解决上述问题的基础上提 出一种填芯高强预应力混凝土管桩与大直径水泥土桩复合而成的基桩。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种填芯管桩水泥土复合基桩，包 括芯桩和包裹在芯桩周围的水泥土桩，其特征在于所述水泥土桩的直径为800 2000mm、 长度为12 40m;所述芯桩为高强预应力管桩，所述高强预应力管桩的直径为300 1000mm，长度为6 30m ；所述高强预应力管桩与水泥土桩的直径比值为0. 375 0. 50、长 度比值为0. 50 0. 76 ；高强预应力管桩上下端封闭后，在外层水泥土初凝之前，自外层水 泥土桩中心同心静力压入至设计标高；在所述水泥土桩上部及水泥土桩位于高强预应力管桩底端以下的部分分别设置 复喷段，所述复喷段长度为2 6m ；在高强预应力管桩上部空心中填入强度等级C30 C80的微膨胀混凝土，填芯混 凝土长度为高强预应力管桩桩径的6 10倍。为了突破单桩承载力受芯桩桩身结构承载力限制及提高水平承载力，在高强预应 力管桩上部空心中填入强度等级C30 C80的微膨胀混凝土，填芯混凝土长度为芯桩桩径 的6 10倍，在外层水泥土桩上部及芯桩底端以下各2 6m范围进行复喷形成复喷段；为了增加芯桩插入时对周围水泥土的挤密效应、提高竖向承载力及便于填芯，插 入前，高强预应力管桩上下端分别用薄铁皮封闭。为了作为基桩使用，在高强预应力管桩填芯混凝土中设置4 8根锚固钢筋，把高 强预应力管桩桩顶及锚固筋锚入上部承台形成桩基础。所述水泥土桩由高压喷射融合搅拌法施工，包括如下步骤以三支点式履带打桩 机为桩架，与桩架平行设置的钻杆顶端设置高压旋喷水龙头、动力头，钻杆底端设置搅拌 杆、水平向喷嘴、竖向喷嘴及钻头，钻杆通过高压旋喷水龙头与高压喷浆、喷气系统连接后 以2 5m/min的速度喷浆、喷气下沉，下沉至设计标高后，按照20 25cm/min的速度喷 浆、喷气提升，并在水泥土桩上部及在水泥土桩位于芯桩底端以下的部分分别设置复喷段， 所述复喷段为2 6m ；钻杆转速20 30r/min，水泥浆压力2 30MPa、流量35 320L/ min，气压0. 6 0. 7MPa、流量3 6m3/min ；遇局部硬土层时，通过增大竖向喷嘴喷浆压力 保证下沉速度不小于2m/min，竖向喷嘴喷浆压力增大幅度为5 lOMPa。为了增大局部硬土层中钻具下沉速度，提高成桩效率，在钻杆底部设置竖向喷嘴并通过增大竖向喷嘴喷浆压力保证下沉速度不小于2m/min，竖向喷嘴喷浆压力增大幅度为 5 lOMPa。一种填芯管桩水泥土复合基桩的施工方法，其特征是它包括如下步骤(a)外层 水泥土桩由高压喷射融合搅拌法施工；(b)封闭芯桩上下两端；(c)在外层水泥土初凝之 前，在水泥土桩中心同心静力压入高强预应力管桩至设计标高；(d)高强预应力管桩上部 6 10倍桩径范围填入C30 C80微膨胀混凝土并设置4 8根锚固钢筋。因为本发明复合基桩由呈特定数量匹配关系的作为芯桩的高强预应力管桩和包 裹在芯桩周围的水泥土桩、桩顶及芯桩底端下部水泥土桩特定长度的复喷段、高强预应力 管桩顶部特定长度的填芯混凝土、与承台连接的锚固钢筋组成，并采用上述方法施工，所以 产生了以下有益效果(1)解决了水泥土桩、高强预应力管桩各自应用的局限性，可同时充分发挥桩 周土对外层水泥土桩提供的侧摩阻力及高强预应力管桩桩身结构承载力，大幅度提高本 发明填芯管桩水泥土复合基桩竖向承载能力、降低工程造价，单桩承载力特征值可达到 10000kN(图3、4)，相比已经公开资料中单桩承载力提高2倍左右，单位承载力造价相比简 单复合情况降低30 60% (图5、6)；(2)突破了单桩承载力受芯桩桩身结构承载力控制的缺陷，相比芯桩桩身结构承 载力提高40 100%，为外层水泥土桩侧摩阻力充分发挥提供了保障，使得外层水泥土桩 最大经济直径可以扩大到2000mm ；消除了水平荷载较大时芯桩易产生抗剪脆性破坏的问 题，能承担较大水平荷载，与现有技术中复合桩水平承载力或相同规格管桩相比提高80 150%，解决了高强预应力管桩在高层建筑和高烈度地区应用的局限性；(3)解决了复合桩作为基桩使用时与承台的连接方法，避免了作为复合地基增强 体使用时外层水泥土先破坏进而导致管桩被压爆的问题；(4)增加了芯桩插入时对周围及底端水泥土的挤密效应，提高了外层水泥土与芯 桩界面的粘结力，能把芯桩承担荷载最大程度地扩散到周围地基水泥土及土中，受力机理 明确；(5)有效缩短局部硬土层中钻具下沉时间，大幅提高施工效率，减小水泥用量，与 现有技术相比施工效率提高约90 120%。
图1为大直径填芯管桩水泥土复合基桩剖面示意图；图2为大直径填芯管桩水泥土复合基桩截面示意图；图3为不同直径比条件下单桩承载力特征值随长度比变化图；图4为不同长度比条件下单桩承载力特征值随直径比变化图；图5为不同直径比条件下单位承载力造价随长度比变化图；图6为不同长度比条件下单位承载力造价随直径比变化图；图中1-高强预应力管桩、2-水泥土桩、3-复喷段、4-填芯混凝土、5-锚固钢筋。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细地描述。
5
如图1 2所示，由作为芯桩的高强预应力管桩1、包裹在芯桩周围的高压喷射搅 拌水泥土桩2、桩顶及芯桩底端下部水泥土桩复喷段3、高强预应力管桩顶部填 芯混凝土 4、 与承台连接的锚固钢筋5组成。一种填芯管桩水泥土复合基桩的施工方法，其特征是它包括如下步骤(a)外层 水泥土桩由高压喷射融合搅拌法施工；(b)封闭芯桩上下两端；(c)在外层水泥土初凝之 前，在水泥土桩中心同心静力压入高强预应力管桩至设计标高；(d)高强预应力管桩上部 6 10倍桩径范围填入C30 C80微膨胀混凝土并设置4 8根锚固钢筋。所述水泥土桩由高压喷射融合搅拌法施工，包括如下步骤以三支点式履带打桩 机为桩架，与桩架平行设置的钻杆顶端设置高压旋喷水龙头、动力头，钻杆底端设置搅拌 杆、水平向喷嘴、竖向喷嘴及钻头，钻杆通过高压旋喷水龙头与高压喷浆、喷气系统连接后 以2 5m/min的速度喷浆、喷气下沉，钻杆转速20 30r/min，水泥浆压力2 30MPa、流 量35 320L/min，气压0. 6 0. 7MPa、流量3 6m7min，遇局部硬土层时，通过增大竖向 喷嘴喷浆压力保证下沉速度不小于2m/min，竖向喷嘴喷浆压力增大幅度为5 lOMPa。下 沉至设计标高后，按照20 25cm/min的速度喷浆、喷气提升，并在桩上部及芯桩底端以下 各2 6m范围内进行复喷，形成直径为800 2000mm、长度为12 40m的外层水泥土桩 2。按照桩径比值0. 375 0. 50、桩长比值0. 50 0. 76的原则选择高强预应力管桩1，相 应直径为300 1000mm、长度为6 30m，上下端封闭后，在外层水泥土初凝之前同心插入 水泥土桩2中至设计标高；高强预应力管桩1上部6 10倍桩径范围内填入C30 C80微 膨胀混凝土作为填芯混凝土 4，并设置与上部承台连接的锚固钢筋5。实施例1一种填芯管桩水泥土复合基桩的施工方法，其特征是它包括如下步骤(a)外层 水泥土桩由高压喷射融合搅拌法施工；(b)封闭芯桩上下两端；(c)在外层水泥土初凝之 前，在水泥土桩中心同心静力压入高强预应力管桩至设计标高；(d)高强预应力管桩上部 6 10倍桩径范围填入C30 C80微膨胀混凝土并设置4 8根锚固钢筋。所述水泥土桩 由高压喷射融合搅拌法施工，包括如下步骤以三支点式履带打桩机为桩架，与桩架平行设 置的钻杆顶端设置高压旋喷水龙头、动力头，钻杆底端设置搅拌杆、水平向喷嘴、竖向喷嘴 及钻头，钻杆通过高压旋喷水龙头与高压喷浆、喷气系统连接后以2 5m/min的速度喷浆、 喷气下沉，钻头转速23r/min，水灰比1.0，水泥浆压力2MPa、流量35. OL/min，气压0. 6 0. 7MPa、流量3 6m7min，遇局部硬土层时，竖向喷嘴喷浆压力增大5 IOMPa以保证下沉 速度不小于2m/min。钻头下沉至设计标高后，按照20 21cm/min的速度喷浆、喷气提升， 在桩上部2m、芯桩底端以下2m范围内进行复喷，形成直径800mm、长度12m的外层水泥土桩 2。选用直径300mm、长度6m的高强预应力管桩1上下端用薄铁皮封闭后，在外层水泥土初 凝之前同心插入水泥土桩2中至设计标高；高强预应力管桩1上部2. Om范围内填筑C50微 膨胀混凝土作为填芯混凝土 4，并设置与上部承台连接的四根直径16mm的HRB335锚固钢筋 5。高强预应力管桩1与外层水泥土桩2直径比值为0. 375、长度比值为0. 50。试验表明单桩承载力特征值为1360kN，呈复合桩整体刺入破坏模式，相比芯桩桩 身结构承载力900kN提高51%，突破了单桩承载力受芯桩桩身结构承载力控制的缺陷；夕卜 层水泥土桩侧摩阻力平均值为85kPa，相比实施例2中侧摩阻力54kPa提高57%，能较充分 发挥外层水泥土桩侧摩阻力；单位承载力造价为12. 5元/10kN，比实施例2中单位承载力造价18. 7元/IOkN降低33%;单桩水平承载力特征值为49kN，相比实施例2中水平承载力 特征值23kN提高113% ；外层水泥土桩施工效率为8. Om/h，相比实施例2中采用未设置竖 向喷嘴钻具的施工效率4. lm/h提高95%。实施例2 (对比例)采用目前公开资料中未设置竖向喷嘴的钻具，未设置复喷段3、填芯混凝土4及锚 固钢筋5，芯桩上下端不封闭，其余参数及施工方法同实施例1。试验表明单桩承载力特征值为910kN，与芯桩桩身结构承载力900kN非常接近， 即单桩承载力受芯桩桩身结构承载力控制；由于无复喷加强段，破坏模式为外层水泥土首 先被压碎进而导致芯桩在管顶以下40cm处被压爆断裂；外层水泥土桩侧摩阻力平均值为 54kPa，相比实施例1中侧摩阻力85kPa降低36%，未能充分发挥出外层水泥土桩侧摩阻 力；单位承载力造价为18. 7元/10kN，比按照本专利技术方案实施的实施例1中单位承载 力造价12. 5元/IOkN增加50%;单桩水平承载力特征值为23kN，相比实施例1中单桩水平 承载力特征值49kN降低53% ；由于局部硬土层中钻具下沉较慢，外层水泥土桩施工效率为 4. lm/h，相比实施例1中采用设置竖向喷嘴钻具的施工效率8. Om/h降低49% ；由于芯桩两 端无封闭，插芯过程中水泥土基本充满芯桩中心部位，妨碍填芯施工。实施例3本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于水泥浆压力7MPa、流量 66. OL/min，在桩上部3m、芯桩底端以下4m范围内进行复喷，形成直径1000mm、长度16m的 外层水泥土桩2。选用直径400mm、长度IOm的高强预应力管桩1上下端用薄铁皮封闭后， 在外层水泥土初凝之前同心插入水泥土桩2中至设计标高；高强预应力管桩1上部3. 5m 范围内填筑C60微膨胀混凝土作为填芯混凝土 4，并设置与上部承台连接的四根直径16mm 的HRB335锚固钢筋5。高强预应力管桩1与外层水泥土桩2直径比值为0. 40、长度比值为 0. 625。试验表明单桩承载力特征值为2520kN，呈复合桩整体刺入破坏模式，相比芯桩桩 身结构承载力1650kN提高53%，突破了单桩承载力受芯桩桩身结构承载力控制的缺陷；夕卜 层水泥土桩侧摩阻力平均值为IOOkPa,相比实施例4中侧摩阻力64kPa提高56%，能较充 分发挥外层水泥土桩侧摩阻力；单位承载力造价为12. 6元/10kN，比实施例4中单位承载 力造价19. 8元/IOkN降低36%;单桩水平承载力特征值为65kN，相比实施例4中水平承载 力特征值35kN提高86%;外层水泥土桩施工效率为8. 4m/h，相比实施例4中采用未设置竖 向喷嘴钻具的施工效率3. 9m/h提高115%。实施例4 (对比例)采用目前公开资料中未设置竖向喷嘴的钻具，未设置复喷段3、填芯混凝土 4及锚 固钢筋5，芯桩上下端不封闭，其余参数及施工方法同实施例3。试验表明单桩承载力特征值为1600kN，相比芯桩桩身结构承载力1650kN略小， 单桩承载力受芯桩桩身结构承载力控制；由于无复喷加强段，破坏模式为外层水泥土首 先被压碎进而导致芯桩在管顶以下38cm处被压爆断裂；外层水泥土桩侧摩阻力平均值为 64kPa，相比实施例3中侧摩阻力IOOkPa降低36%，未能充分发挥出外层水泥土桩侧摩阻 力；单位承载力造价为19. 8元/10kN，比按照本专利技术方案实施的实施例3中单位承载 力造价12. 6元/IOkN增加57%;单桩水平承载力特征值为35kN，相比实施例3中单桩水平承载力特征值65kN降低49% ；由于局部硬土层中钻具下沉较慢，外层水泥土桩施工效率为
3.9m/h，相比实施例3中采用设置竖向喷嘴钻具的施工效率8. 4m/h降低54% ；由于芯桩两 端无封闭，插芯过程中水泥土基本充满芯桩中心部位，妨碍填芯施工。实施例5 本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于水泥浆压力9MPa、流量 80. OL/min，在桩上部4m、芯桩底端以下5m范围内进行复喷，形成直径1200mm、长度21m的 外层水泥土桩2。选用直径500mm、长度16m的高强预应力管桩1上下端用薄铁皮封闭后， 在外层水泥土初凝之前同心插入水泥土桩2 ；高强预应力管桩1上部4. Om范围内填筑C80 微膨胀混凝土芯作为填芯混凝土 4，并设置与上部承台连接的4根直径18mm的HRB335锚固 钢筋5。高强预应力管桩1与外层水泥土桩2直径比值为0. 42、长度比值为0. 76。试验表明单桩承载力特征值为3840kN，相比芯桩桩身结构承载力2700kN提高 42%，突破了单桩承载力受芯桩桩身结构承载力控制的缺陷；外层水泥土桩侧摩阻力平均 值为97kPa，相比实施例6中侧摩阻力35kPa提高177 %，能较充分发挥外层水泥土桩侧摩 阻力；单位承载力造价为12. 4元/10kN，比实施例6中单位承载力造价25. 1元/IOkN降低 51% ；单桩水平承载力特征值为89kN，比相同规格管桩水平承载力特征值43kN提高107% ； 外层水泥土桩施工效率为8. 4m/h，相比实施例6中采用未设置竖向喷嘴钻具的施工效率
4.3m/h 提高 95%。实施例6 (对比例)采用目前公开资料中未设置竖向喷嘴的钻具施工外层水泥土桩2，直径1200mm、 长度21m，芯桩采用直径300mm、长度8m的高强预应力管桩1。高强预应力管桩1与外层水 泥土桩2直径比值为0. 25、长度比值为0. 38。其余参数及施工方法同实施例5。试验表明单桩承载力特征值为1400kN，相比芯桩桩身材料承载力900kN提高 56%，突破了单桩承载力受芯桩材料强度控制的缺陷；外层水泥土桩侧摩阻力平均值为 35kPa,相比实施例5中侧摩阻力97kPa降低64%，未能充分发挥出外层水泥土桩侧摩阻力； 单位承载力造价为25. 1元/10kN，比按照本专利技术方案实施的实施例5中单位承载力造 价元12. 4/10kN增加102% ；由于局部硬土层中钻具下沉较慢，外层水泥土桩施工效率为 4. 3m/h，相比实施例5中采用设置竖向喷嘴钻具的施工效率8. 4m/h降低49%。实施例7本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于水泥浆压力23MPa、流量 160. OL/min，在桩上部3. 5m、芯桩底端以下4m范围内进行复喷，形成直径1600mm、长度25m 的外层水泥土桩2。选用直径600mm、长度18m的高强预应力管桩1上下端用薄铁皮封闭后， 在外层水泥土初凝之前同心插入水泥土桩2 ；高强预应力管桩1上部6. Om范围内填筑C70 微膨胀混凝土作为填芯混凝土 4，并设置与上部承台连接的6根直径18mm的HRB335锚固钢 筋5。高强预应力管桩1与外层水泥土桩2直径比值为0. 40、长度比值为0. 72。试验表明单桩承载力特征值为6000kN，相比目前公开资料中的最大单桩承载力特 征值提高1倍；相比芯桩桩身结构承载力3550kN提高69%，突破了单桩承载力受芯桩桩 身结构承载力控制的缺陷；外层水泥土桩侧摩阻力平均值为95kPa，相比实施例8中侧摩 阻力25kPa提高280%，能较充分发挥外层水泥土桩侧摩阻力；单位承载力造价为12. 8元 /10kN，相比实施例8中单位承载力造价26. 6元/IOkN降低52% ；单桩水平承载力特征值达到105kN，比相同规格管桩水平承载力特征值50kN提高110%;外层水泥土桩施工效率为 8. 6m/h，相比实施例8中采用未设置竖向喷嘴钻具的施工效率4. 4m/h提高95%。实施例8 (对比例)采用目前公开资料中未设置竖向喷嘴的钻具施工外层水泥土桩2，直径1600mm、 长度25m，芯桩采用直径300mm、长度IOm的高强预应力管桩1。高强预应力管桩1与外层水 泥土桩2直径比值为0. 1875、长度比值为0. 40。其余参数及施工方法同实施例7。试验表明单桩承载力特征值为1600kN，相比芯桩桩身材料承载力900kN提高 78%，突破了单桩承载力受芯桩材料强度控制的缺陷；外层水泥土桩侧摩阻力平均值为 25kPa,相比实施例7中侧摩阻力95kPa降低74%，未能充分发挥出外层水泥土桩侧摩阻力； 单位承载力造价为26. 6元/10kN，比按照本专利技术方案实施的实施例7中单位承载力造 价元12. 8元/IOkN增加108% ；外层水泥土桩施工效率为4. 4m/h，相比实施例7中采用设 置竖向喷嘴钻具的施工效率8. 6m/h降低49%。
实施例9本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于水泥浆压力30MPa、流量 320. OL/min，在桩上部6m、芯桩底端以下6m范围内进行复喷，形成直径2000mm、长度40m的 外层水泥土桩2。选用直径1000mm、长度30m的高强预应力管桩1上下端用薄铁皮封闭后， 在外层水泥土初凝之前同心插入水泥土桩2 ；高强预应力管桩1上部6. Om范围内填筑C30 微膨胀混凝土作为填芯混凝土 4，并设置与上部承台连接的8根直径20mm的HRB335锚固钢 筋5。高强预应力管桩1与水泥土桩2直径比值为0. 50、长度比值为0. 75。试验表明单桩承载力特征值为IOOOOkN,相比目前公开资料中的最大单桩承载力 特征值提高2 3倍；相比芯桩桩身结构承载力6600kN提高52%，突破了单桩承载力受芯 桩桩身结构承载力控制的缺陷；外层水泥土桩侧摩阻力平均值为80kPa，相比实施例10中 侧摩阻力47kPa提高70%，能较充分发挥外层水泥土桩侧摩阻力；单位承载力造价为12.3 元/10kN，相比实施例10中单位承载力造价19. 6元/IOkN降低37% ；单桩水平承载力特征 值为270kN，比相同规格管桩水平承载力特征值120kN提高125% ；外层水泥土桩施工效率 为9. 8m/h，相比实施例10中采用未设置竖向喷嘴钻具的施工效率5. lm/h提高92%。实施例10 (对比例)采用目前公开资料中未设置竖向喷嘴的钻具施工外层水泥土桩2，直径2000mm、 长度40m，芯桩采用直径600mm、长度18m的高强预应力管桩1。高强预应力管桩1与水泥土 桩2直径比值为0. 30、长度比值为0. 45。其余参数及施工方法同实施例9。试验表明单桩承载力特征值为5900kN，相比芯桩桩身材料承载力3550kN提高 66%，突破了单桩承载力受芯桩材料强度控制的缺陷；外层水泥土桩侧摩阻力平均值为 47kPa,相比实施例9中侧摩阻力SOkPa降低41 %，未能充分发挥出外层水泥土桩侧摩阻力； 单位承载力造价为19. 6元/10kN，比按照本专利技术方案实施的实施例9中单位承载力造 价元12. 3元/IOkN增加59%;外层水泥土桩施工效率为5. lm/h，相比实施例9中采用设置 竖向喷嘴钻具的施工效率9. 8m/h降低48%。小结为了说明复喷及芯桩插入时两端封闭效果，按照实施例1、3、5、7、9中相关参数分 别实施了无复喷段、芯桩插入时两端不封闭两种工况下共10棵复合桩，对比效果如表1所示。按照本专利技术方案实施的复合桩单桩竖向承载力特征值、水平承载力特征值、外层水 泥土桩侧摩阻力分别比无复喷段工况提高19. 8 29. 5 %、16. 7 35. O %、19. 4 28. 8 %， 相应单位承载力造价降低10. 6 12. 6 % ；比芯桩两端不封闭工况分别提高20. 0 23. 9%、 5. 0 10. 2%.20. 3 24. 4%，相应单位承载力造价降低16. 9 19. 5%。表1复喷段及芯桩两端封闭效果对比
对比项目丨竖向承载力特征值ZkN j水平承载力特征傲kN丨水泥土桩侧摩阻力/kPa I单位承载力造价/j^OkN |备注 实施例 11360_49
权利要求
一种填芯管桩水泥土复合基桩，包括芯桩和包裹在芯桩周围的水泥土桩，其特征在于所述水泥土桩的直径为800～2000mm、长度为12～40m；所述芯桩为高强预应力管桩，所述高强预应力管桩的直径为300～1000mm，长度为6～30m；所述高强预应力管桩与水泥土桩的直径比值为0.375～0.50、长度比值为0.50～0.76；高强预应力管桩上下端封闭后，在外层水泥土初凝之前，自外层水泥土桩中心同心静力压入至设计标高；在所述水泥土桩上部及水泥土桩位于高强预应力管桩底端以下的部分分别设置复喷段，所述复喷段长度为2～6m；在高强预应力管桩上部空心中填入强度等级C30～C80的微膨胀混凝土，填芯混凝土长度为高强预应力管桩桩径的6～10倍。
2.根据权利要求1所述的填芯管桩水泥土复合基桩，其特征是高强预应力管桩上下端 分别用薄铁皮封闭。
3.根据权利要求1所述的填芯管桩水泥土复合基桩，其特征是在高强预应力管桩填芯 混凝土中设置4 8根锚固钢筋。
4.根据权利要求1所述的填芯管桩水泥土复合基桩，其特征是所述水泥土桩由高压喷 射融合搅拌法施工，包括如下步骤以三支点式履带打桩机为桩架，与桩架平行设置的钻杆 顶端设置高压旋喷水龙头、动力头，钻杆底端设置搅拌杆、水平向喷嘴、竖向喷嘴及钻头，钻 杆通过高压旋喷水龙头与高压喷浆、喷气系统连接后以2 5m/min的速度喷浆、喷气下沉， 下沉至设计标高后，按照20 25cm/min的速度喷浆、喷气提升，并在水泥土桩上部及在水 泥土桩位于芯桩底端以下的部分分别设置复喷段，所述复喷段为2 6m ；钻杆转速20 30r/min,水泥浆压力2 30MPa、流量35 320L/min，气压0. 6 0. 7MPa、流量3 6m3/ min ；遇局部硬土层时，通过增大竖向喷嘴喷浆压力保证下沉速度不小于2m/min，竖向喷嘴 喷浆压力增大幅度为5 lOMPa。
5.一种填芯管桩水泥土复合基桩的施工方法，其特征是它包括如下步骤(a)外层水 泥土桩由高压喷射融合搅拌法施工；(b)封闭芯桩上下两端；(c)在外层水泥土初凝之前， 在水泥土桩中心同心静力压入高强预应力管桩至设计标高；(d)高强预应力管桩上部6 10倍桩径范围填入C30 C80微膨胀混凝土并设置4 8根锚固钢筋。
6.根据权利要求5所述的填芯管桩水泥土复合基桩的施工方法，其特征是所述水泥土 桩由高压喷射融合搅拌法施工，包括如下步骤以三支点式履带打桩机为桩架，与桩架平行 设置的钻杆顶端设置高压旋喷水龙头、动力头，钻杆底端设置搅拌杆、水平向喷嘴、竖向喷 嘴及钻头，钻杆通过高压旋喷水龙头与高压喷浆、喷气系统连接后以2 5m/min的速度喷 浆、喷气下沉，下沉至设计标高后，按照20 25cm/min的速度喷浆、喷气提升，并在水泥土 桩上部及在水泥土桩位于芯桩底端以下的部分分别设置复喷段，所述复喷段为2 6m ；钻 杆转速20 30r/min，水泥浆压力2 30MPa、流量35 320L/min，气压0. 6 0. 7MPa、 流量3 6m7min ；遇局部硬土层时，通过增大竖向喷嘴喷浆压力保证下沉速度不小于2m/ min，竖向喷嘴喷浆压力增大幅度为5 lOMPa。
全文摘要
一种填芯管桩水泥土复合基桩，包括芯桩和包裹在芯桩周围的水泥土桩，其特征在于芯桩与外层桩直径比值为0.375～0.50、长度比值为0.50～0.76；所述水泥土桩为上部及芯桩底端以下各2～6m范围为复喷段的水泥土桩；在芯桩上部空心中填入强度等级C30～C80的微膨胀混凝土，填芯混凝土长度为芯桩桩径的6～10倍。一种填芯管桩水泥土复合基桩的施工方法，其特征是它包括如下步骤外层水泥土桩由高压喷射融合搅拌法施工；芯桩上下两端封闭；外层水泥土初凝之前，在其中心同心静力压入芯桩至设计标高；芯桩上部6～10倍桩径范围填入C30～C80微膨胀混凝土并设置4～8根锚固钢筋。本发明解决了高强预应力管桩在高层建筑和高烈度地区应用的局限性。
文档编号E02D5/46GK101858079SQ201010189668
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月2日 优先权日2010年6月2日
发明者卜发东, 孟炎, 宋义仲, 宋来营, 朱锋, 王庆军, 程海涛, 米春荣, 赵西久, 马凤生 申请人:山东省建筑科学研究院;山东聊建集团有限公司;山东鑫国基础工程有限公司